Física de Nubes

Efecto de la tensión superficial Produce el ascenso de un líquido en un capilar, haciendo que la savia ascienda por los pequeños capilares, como en las grandes secuoias

Andar a un zapatero

Pompas de jabón

Permite que se formen gotas

Provoca que la tensión de vapor sobre las gotas sea mayor que sobre superficies planas. Cuanto menor es la gota mayor el efecto de la tensión

Se necesita una humedad relativa de un 300% para que se forme una gotita de 0.1 mm Ley de Kelvin

En la atmósfera no se observa esa humedad relativa tan elevada En la atmósfera no se observa esa humedad relativa tan elevada. A lo sumo un 101%. ¿Como se pueden formar las diminutas gotitas de agua ? ===> Los aerosoles

Aerosoles Pequeñas partículas existentes en la atmósfera. Una pequeña parte de estas partículas son higroscópicas: Núcleos de Condensación Nubosos (NCN, CCN Cloud Condensation Nuclei) => Se pueden disolver en agua: Ejemplo Partículas de sal común procedentes del océano Partículas de SO4(NH4)2 procedentes de la oxidación del sulfuro de dimetilo S(CH3)2 (exhalado por algas marinas) o procedente de la contaminación atmosférica. Nitratos procedentes de la contaminación atmosférica Emisiones volcánicas...

La consecuencia más importante de la disolución de la sal en el agua (desde el punto de vista de la física de nubes) es la disminución de la presión de vapor saturante (ley de Raoult) La presión de vapor saturante sobre una disolución es menor que sobre un líquido puro

Teniendo en cuenta los efectos de la tensión superficial y la higroscopicidad se obtiene la relación entre lajumedad relativa y el radio de la gota, cuya gráfica se muestra en la figura (curvas de Köhler) Sobresaturación crítica Radio de activación Fase de bruma

Crecimiento de las gotitas: Crecimiento difusivo Una vez activadas las gotitas crecen por difusión del vapor hacia las mismas siguiendo una ley parabólica Lo que significa que las gotas mas grandes crecen mas despacio que las más pequeñas

Tiempos de crecimiento de una gotita de agua Los tiempos necesarios para que se formen gotitas de lluvia son mucho mayor que los observados => Debe existir algún otro mecanismo de crecimiento

Distribución típica de gotitas en el interior de una nube (a) Espectro ‘estrecho’: cúmulos de buen tiempo, estrato-cúmulos, alto-estratos. Número de gotitas elevado (~ varios cientos/cm3) (b) Espectro ‘ancho’: cúmulos congestus, cumulo-nimbos, nimbo-estratos. Número de gotitas menos elevado ( menos de cien/cm3)

Velocidad de caída La resistencia que opone el aire a la caída de la gota, y que es proporcional a la sección eficaz de la gota y a la velocidad de caída, se opone al peso de la misma. Al ir aumentando la velocidad de caída, va aumentando la resistencia hasta que llega un momento que ambas se igualan. A partir de ese momento la velocidad de la gota permanece constante.

Al salir una gota de la nube, comienza a evaporarse, siguiendo como antes una ley parabólica ¿Cuanto tiene que recorrer antes de evaporarse del todo ?

Para que una gotita alcance la superficie debe de alcanzar el tamaño del orden de 0.1 a 1 mm. Los tiempos requeridos para que se alcancen estos tamaños mediante la difusión del vapor son muy grandes ==> Debe de existir otro mecanismo: El mecanismo de colisión -- coalescencia

El mecanismo de colisión-coalescencia Las gotas más grandes que descienden a mayor velocidad alcanzan a las más pequeñas con la que chocan pudiendo fundirse

Eficacia de colisión en términos del tamaño de la gota captora y la relación entre ésta y las capturadas La gota captora debe de tener valores superiores a 20 mm y la mayor eficacia se alcanza cuando las gotas capturadas tienen un radio mitad del de la gota captora

Nubes cálidas Solo interviene la fase líquida. Tiene lugar en nubes tropicales. Surge el problema de cómo pueden aparecer un número relativamente grande de gotas con tamaño suficiente para que comience el proceso de colisión coalescencia. Tiene importancia los fenómenos turbulentos y la propia historia de las masas de aire

Nubes frías Interviene la fase hielo ¿Como se forman los cristales de hielo ? Se han podido observar en experimentos cuidadosos de laboratorio agua muy pura en estado líquido hasta una temperatura de -38ºC. En las nubes a temperatura más elevadas no se observa la aparición de gotitas de agua líquida. ¿Que sucede ?

En la naturaleza existen los llamados núcleos de hielo o núcleos glaciógenos que permiten que se formen cristales de hielo a temperaturas relativamente elevadas Son partículas no higroscópicas que ‘engañan’ al agua. Tienen una estructura cristalina muy parecida a la del hielo.

Tienen diversas formas de actuación Deposición Contacto Condensación El número de núcleos de hielo es muy escaso: del orden de varias unidades por litro

Formas de los cristales de hielo Los cristales de hielo toman diferentes formas dependiendo de las condiciones de humedad y temperatura. En general son placas o prismas exagonales o con formas dentríticas

Fotografías de cristales de hielo Obtenidas mediante microscopio electrónico (y a luz visible)

CLASIFICACIÓN DE KOBAYASHI

Importancia de la fase hielo Tiene importancia el proceso Wegener- Bergeron - Findeisen

Cuando los cristales de hielo funden dan lugar a gotitas grandes que continúan creciendo mediante colisión-colaescencia. Así mismo los cristalitos de hielo crecen por captura de gotitas más pequeñas dando lugar a la formación de ‘graupel’, el cual al fundir da lugar a la formación de grandes gotas. Si la temperatura es lo suficientemente baja es posible que este ‘graupel’ llegue al suelo en forma de granizo

Rime Diferentes estados de agregación de cristales de hielo y gotitas de agua sobreenfriadas Graupel

Clasificación de las nubes Existen diversas clasificaciones, una de las mas standard esta basada en la altura y en la forma. Así tenemos tres grupos principales: Nubes altas (CH) Nubes medias (CM) Nubes bajas y (CL) Nubes de desarrollo vertical

CH Cirros (Ci) Cirro-cumulos (Cc) Cirro-estratos (Cs)

CM Ato-estratos (As) Alto-cumulos (Ac) Nimbo-estratos (Ns)

CL Estrato-cumulos (Sc) Estratos (St) Cumulos (Cu) Cumulo-nimbos (Cb)

Nubes altas

Cirro-estratos

Cirro-cúmulos

Cirros procedentes de un cúmulo-nimbo

Cirro-estratos con halo

Cirros invadiendo el cielo

Nubes Medias

Alto-cúmulos

Nimbo-estratos

Nimbo-estratos con pannus

Nubes Bajas

Cumulo-Nimbo con yunque

Cúmulo-nimbo con yunque

Cúmulo-Nimbo

Cúmulos

Cúmulo (cumulus congestus)

(Cumulus humilis)Cúmulos de buen tiempo

Capa de Estratos

Estratos

Estrato-cúmulos

Estrato-cúmulos

Virgas de una nube

Nubes lenticulares

Mamas de la nube (mammatus)

Nubes noctulicentes

Tormentas, rayos y truenos Formación: En situaciones de fuerte inestabilidad hidrostática los movimiento verticales de las burbujas pueden alcanzar enormes alturas. Estando estos movimientos verticales favorecidos por la propia formación de la nube, tanto en su fase líquida como sólida al generarse calor latente de condensación y congelación: favorece la formación de tormentas la existencia de inestabilidad, humedad y vientos elevados en altura

Los mecanismos que inducen la formación de la tormenta son varios: Calentamiento diurno del suelo Ascenso inducido cerca de colinas, montañas Situaciones de fuerte convergencia horizontal Situaciones frontales

Se estima que solo un 20% del vapor que ha condensado llega al suelo en forma de precipitación (sólida y/o líquida), el resto queda como residuo de la tormenta (en forma de cirros) o bien se ha evaporado en las corrientes descendentes. Sin embargo un tormenta típica produce unos 6 mm sobre unos 64 km2, lo que significa que 400 000 toneladas de agua han circulado dentro del sistema nuboso

Rayos y truenos La electrificación de la nube: Uno de los procesos que tienen lugar dentro de lasa grandes torres de cúmulos es la electrificación de la nube. Uno de los mecanismos mediante el cual se produce la electrificación es la separación de cargas. Distribución de carga de una nube típica

Algunos mecanismos de generación de carga

Formación del rayo

Carga ~ 30 Cu. Voltaje ~ 10 000 V Inten. ~ 10 000 Energía= V*C ~ 109 J